KR20020074869A - 연마패드의 측정장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연마 패드의 측정장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 본 발명의 측정장치는 연마 패드를 올려놓기 위한 상면이 평탄한 테이블과, 연마 패드의 표면을 촬영하기 위한 카메라와, 연마 패드의 표면 프로파일을 측정하기 위한 센서와, 카메라와 센서를 고정시키기 위한 센서고정수단과, 센서고정수단을 상기 연마패드 상에서 xy방향으로 이송하기 위한 XY 이송수단과, XY 이송수단, 카메라 및 센서들과 전기적으로 연결되고, xy 이송수단을 제어하여 카메라 및 센서를 XY 평면상에서 이송하면서 연마 패드의 표면 프로파일을 측정하고, 표면 이미지를 픽업하고, 각 측정값 및 그래프와 픽업된 표면 이미지 등을 화면상에 표시하는 측정 제어부를 포함한다. 따라서, 본 발명에서는 CMP 장치에 연마 패드를 부착하기 전에 연마 패드의 프로파일, 표면상태, 경도 및 투명창의 투과율 등의 제반 사항을 체크할 수 있다.

Description

연마 패드의 측정장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING POLISHING PAD}
본 발명은 연마 패드의 측정장치 및 측정방법에 관한 것으로, 특히 화학 및 기계적 연마(CMP : CHEMICAL MECHANICAL POLISHING) 장치에서 사용되는 연마 패드의 여러 가지 제원들을 측정할 수 있는 측정장치 및 측정방법에 관한 것이다.
최근 반도체 소자의 고집적화가 진행되어 감에 따라 단위 면적당 많은 칩의 생산을 위한 배선의 다층화가 시도되었고, 노광 광원의 초점심도 한계로 인하여 웨이퍼의 전면에 걸친 광역평탄화가 필수적인 공정으로 인식되고 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위해서 등장한 기술이 CMP (Chemical Mechanical Polishing), 즉 화학적 기계적 연마 기술이다.
CMP는 연마 패드와 웨이퍼 사이에 연마액, 슬러리를 개재시킨 채 압력을 가한 상태에서 서로 상대 운동시켜 연마하는 가공기구를 가지고 있다.
일반적으로 연마패드는 경질 폴리우레탄(afoamed crosslinked polymer)이나 폴리우레탄이 함침 혹은 코팅된 부직 폴리에스테르 펠트(non-woven polyester felt)가 주류를 이루고 있으며 크게 2가지 기능을 수행한다.
패드 표면의 기공(open pores)은 슬러리의 유동을 원할하게 하며, 발포융기(foam cell walls)는 웨이퍼의 표면으로부터 반응물을 제거하는 기능을 각각 갖는다. 표면의 수많은 발포 미공(직경 30∼70㎛)들이 새로운 연마액(Slurry)을 담아두는 역할을 하여 일정한 연마효율(MRR : Material Removal Rate)과 웨이퍼 면내의 연마 균일성(WIWNU : Within Wafer Non Uniformity)을 얻을 수 있게 된다.
이와 같이 연마패드는 CMP의 화학 및 기계적 측면을 지원하게 된다. 일반적으로 CMP 가공 중에 패드는 디바이스의 패턴의 대소 조밀에 의해 응집 집중에 차이가 발생하여 탄성변형을 한다. 그리고, 응집집중이 큰 부위일수록 연마제거속도는 상대적으로 크게 나타난다.
연마패드의 경도는 연마제거속도의 균일성(uniformity)에 크게 영향을 주며, 일반적으로 경질패드는 칩 내부에 대해서는 국소 평탄화 특성은 좋으나 표면결함 등을 발생시키는 단점이 있다.
또한, CMP 공정에서 연마공정의 엔드포인트를 검출하기 위하여 연마패드에 투명창을 설치하고 이 투명창을 통하여 웨이퍼의 가공면을 모니터링함으로써 엔드 포인트를 검출하고 있다.
따라서, 연마 패드의 홈이나 기공 내에 이물질이 삽입된 경우에는 이물질에 의한 웨이퍼 표면의 마이크로 스크레치의 원인이 되거나, 홈의 간격이나 깊이가 일정치 않을 경우에는 슬러리의 공급변화로 공정변화를 초래하게 된다. 또한, 연마패드의 경도가 불균일한 경우에는 부위별 하중이 달라지므로 전체 두께가 불균일하게 되므로 가공 균일도에 변화를 초래하게 된다. 또한, 연마패드의 투명창의 광투과율에 변동이 생기게 되면 엔드포인트 검출변동으로 과연마나 언더연마 등의 연마공정 오류가 발생하게 된다.
이와 같이, 연마 패드의 표면 프로파일, 경도, 표면 기공 산포도 및 균일성, 투명창의 투명도 등이 웨이퍼의 표면 가공 시에 가공도에 영향을 미치게 되므로, 이와 같은 연마 패드의 각종 제원의 정확한 측정이 요구되고 있다.
미국특허 제 5,934,974호에서는 비접촉식 레이저 센서를 사용하여 연마패드의 마모정도를 측정하는 기술을 소개하고 있다. 상기 특허에서는 CMP 장비 상에 연마패드의 두께 측정기구를 설치하여 공정의 정지없이 공정 도중에 측정하기 위한 것이다. 상기 특허는 벨트식 CMP장치에 적용이 용이하나 회전식 CMP장치에 적용하기에는 곤란하다.
미국특허 제 5,974,679호에서는 CMP 장비의 회전 정반 상에 연마패드 두께측정장치를 설치하고, 센서를 연마패드의 표면에 접촉시켜서 연마패드의 표면 프로파일을 측정하는 기술을 개시하고 있다. 상기 특허는 회전 정반에 직접 설치하기 때문에 측정 시에는 장비의 동작을 정지시킨 상태에서 측정이 가능하다.
일본 특개평8-61949호에서는 레이저 센서를 사용하여 연마패드의 프로파일을 측정함과 동시에 과전류센서를 사용하여 회전정반의 프로파일을 측정하는 기술을 개시하고 있다.
상술한 종래의 기술들은 모두 연마패드를 직경방향으로 스캔하면서 1차원적인 프로파일만을 검출하며, CMP 장비 상에서 측정하기 위한 기술을 개시하고 있다.
그러나, CMP 장비 상에 이와 같은 측정장비를 설치하기에는 CMP 장비의 공간 구조 상 설치공간 확보가 용이하지 않고 장치 구성을 복잡하게 하는 문제가 있다.
또한, 상기 기술들은 단순히 연마 패드의 표면 프로파일 또는 두께를 측정하는 기술만을 개시하고 있다.
따라서, 연마패드의 표면 프로파일 이외의 다른 구조적 특성 변동에 대해서는 측정할 수 없어서 연마패드의 종합적인 측정이 불가능하였다.
통상적으로 CMP 장비 운용자들은 연마패드를 제조업체로부터 구입하여 제조업체로부터 제공된 패드 사양서를 기준으로 하여 연마패드를 CMP 장비의 회전정반에 부착하여 사용하고, 일정 사용시간이 지나면 교체하게 된다.
그러나, 제조업체에서 공급된 연마패드의 실질적인 특성이 각 패드마다 약간씩 편차가 존재하게 되므로, 이러한 편차가 일반적인 사양서를 기준으로 사용할 경우에는 공정 편차로 작용하게 된다.
또한, 교체된 연마패드의 마모된 특성을 측정함으로써, CMP 장비의 공정특성을 평가할 필요가 있으므로, 보다 엄밀한 장비관리 및 공정관리를 위하여 연마패드에 대한 전체적인 측정기구의 출현이 요구되고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 연마패드의 CMP 장비에 장착하기 전이나 사용 후에 연마 패드의 프로파일, 표면 상태, 경도, 투명창의 투과율 등의 제반 사항들을 측정할 수 있는 측정장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 측정장치에 적합한 측정방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 연마패드의 유지보수 및 관리의 효율성을 향상시킬 수 있는 연마패드 측정장치 및 방법을 제공하는 하는 데 있다.
도 1은 일반적인 회전식 CMP 장비의 동작을 설명하기 위한 도면.
도 2는 일반적인 연마패드의 구성을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 의한 연마 패드 측정장치의 정면 구성을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 의한 연마 패드 측정장치의 측정 테이블의 사시도.
도 5는 본 발명에 의한 x축 슬라이더에 센서고정상태를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에 의한 투과율측정센서의 구성을 나타낸 도면.
도 7은 본 발명에 의한 측정제어부의 블록구성을 나타낸 도면.
도 8은 본 발명에 의한 측정장치의 전체 동작을 설명하기 위한 플로챠트.
도 9 및 도 10은 본 발명에 의한 측정장치의 연마패드 센터찾기를 설명하기위한 플로챠트.
도 11 내지 도 14는 본 발명에 의한 측정 제어부의 화면 상태도.
도 15는 본 발명에 의한 레이저센서에 의해 측정된 표면 프로파일의 그래프.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 회전정반12 : 연마패드
12a : 투명창12b : 홈
14 : 컨디셔너 헤드
16 : 회전 헤드18 : 웨이퍼
20 : 노즐100 : 측정 테이블
110 : XY 이송수단111 : Y축 이송기
112 : Y축 슬라이더114 : 가이드 레일
115 : 가이드 슬라이더116 : X축 이송기
117 : X축 슬라이더118 : 센서고정수단
120 : 투과율 측정센서121, 123 : 파지암
122 : 수광센서124 : 발광센서
130 : 진공배기수단140 : CCD 카메라
150 : 레이저 센서160 : 경도측정센서
200 : 측정제어부202 : 모니터
204 : 키보드 받침용 서랍206 : 키보드 받침용 서랍
208 : 키보드210 : 마우스
212 : 디스크 드라이버
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는 연마 패드를 올려놓기 위한 상면이 평탄한 테이블과, 상기 연마 패드의 표면을 촬영하기 위한 카메라와, 상기 연마 패드의 표면 프로파일을 측정하기 위한 센서와, 상기 카메라와 센서를 고정시키기 위한 센서고정수단과, 상기 센서고정수단을 상기 연마패드 상에서 XY방향으로 이송하기 위한 XY이송수단과, 상기 XY이송수단, 카메라 및 센서들과 전기적으로 연결되고, 상기 XY 이송수단을 제어하여 카메라 및 센서를 XY평면상에서 이송하면서 상기 연마 패드의 표면 프로파일을 측정하고, 표면 이미지를 픽업하고, 각 측정값 및 그래프와 픽업된 표면 이미지 등을 화면상에 표시하는 측정 제어부를 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 테이블은 그 표면 평탄도가 매우 정밀하여 가능한한 연마 패드의 표면 프로파일에 영향을 주지 않아야 한다. 또한, 측정시 진동 등에 의한 왜란을 방지하기 위하여 연마 패드가 위치하는 중앙 부위에 연마패드를 고정시키기 위한 복수의 진공 흡착공이 형성되어 연마패드를 진공흡착하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 연마패드의 프로파일을 측정하기 위한 센서로는 비접촉식인 레이저 간섭광을 이용한 측정센서가 바람직하다.
또한, 본 발명에서는, 센서고정수단에 설치되고, 상기 연마패드의 경도를 측정하기 위한 경도측정센서 및 상기 연마패드의 투명창의 투과율을 측정하기 위한 투과율 측정센서를 더 구비한 것이 바람직하다.
본 발명에서 투과율 측정센서는 상기 테이블의 전면 상단에 테이블의 상면과 동일 높이에 설치된 수광센서와 상기 수광센서와 상기 연마패드가 삽입될 간격을 유지하고 그 상방에 설치된 발광센서로 구성된다.
본 발명에서 상기 XY 이송수단은 상기 테이블의 상면 일측에 세로방향으로 설치된 Y축 이송기와, 상기 테이블의 상면 타측에 상기 Y축 이송기와 나란하게 설치된 가이드 레일와, 상기 Y축 이송기에 의해 Y축 방향으로 이송되는 Y축 슬라이더와, 상기 가이드 레일을 타고 Y축 방향으로 이송가능한 가이드 슬라이더와, 상기 Y축 슬라이더와 가이드 슬라이드에 양단이 각각 설치되어 가로방향으로 배치된 X축 이송기와, 상기 X축 이송기에 의해 X축 방향으로 이송되고, 상기 센서고정수단이 설치된 X축 슬라이더를 구비한다.
여기서, X축 및 Y축 이송기는 이송 스크류 또는 선형모터 중 어느 하나로 구성할 수 있다.
상기 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 측정방법은 화학 및 기계적 연마장치의 연마 패드의 측정방법에 있어서, 측정용 테이블 상에 연마 패드를 위치하는 단계와, 상기 연마 패드를 진공흡착하여 고정시키는 단계와, 상기 연마 패드 상에서 X 및 Y축 추적에 의해 상기 연마 패드의 센터를 검색하는 단계와, 상기 연마 패드의 센터에서 경도측정센서를 통하여 연마패드의 경도를 측정하고, 측정값을 화면상에 표시하는 단계와, 상기 연마 패드의 Y축 시작점으로부터 Y축 종료점까지 센서를 정밀이송하면서 패드의 프로파일을 측정하고, 측정된 프로파일을 그래프로 화면상에 표시하는 단계와, 연마 패드 상에 카메라를 스캔하면서 상기 연마패드의 표면 이미지를 줌업하여 픽업하고 픽업된 표면 이미지를 화면 상에 표시하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 측정방법에서 상기 연마 패드의 투명창을 투명도 측정센서에 정렬하는 단계와, 상기 정렬된 연마 패드의 투명창의 투과율을 측정하고, 그 측정값을 화면상에 표시하는 단계를 더 구비한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.
본 발명은 CMP 장비에서 사용하는 연마 패드의 각종 제원, 예컨대 표면 프로파일, 경도, 투명창의 투과율, 표면 상태 등을 측정하기 위한 것이다.
다음에는 구체적인 특정 예들이 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제공된다. 그러나, 당업자에게는 이러한 구체적인 특정 예들이 본 발명을 실시하기 위해 반드시 채택되어야 하는 것이 아님이 명백할 것이다.
도 1를 참조하면, CMP 장치는 회전정반(10) 상면에 연마패드(12)가 부착된다. 연마패드(12)의 일측 상부에는 컨디셔너(conditioner) 헤드(14)가 설치되어 표면 접촉된다. 컨디셔너(14)는 연마 중에 높은 압력과 상대속도가 부가되므로 가공 시간이 지남에 따라 연마 패드 상의 미공은 연마 잔류물들로 막히게 되고, 이로 인해 연마 패드가 새로운 연마액을 담아두는 제 역할을 잃게 되는 것을 방지하기 위하여 통상적으로 다이아몬드 입자를 전착시킨 니켈 플레이트를 사용하여 표면을 미소절삭, 새로운 미공들이 표면에 나올 수 있도록 한다.
연마패드(12)의 타측 상부에는 회전헤드(16)가 위치하여 웨이퍼(18)를 진공 흡착한다. 회전헤드(16)는 하면에 흡착된 웨이퍼(18)의 가공면을 하방으로 하여 연마패드(12)에 압착시킨다. 회전헤드(16)는 편심회전운동으로 웨이퍼(18)의 표면적보다 넓은 영역에서 연마패드(18)와 접촉한다. 연마패드(16)에는 노즐(20)을 통하여 슬러리, 즉 연마액이 공급된다.
따라서, 연마 패드(12)와 웨이퍼(18) 사이에 연마액을 개재시킨 채 압력을 가한 상태에서 서로 상대 운동에 의해 웨이퍼의 표면이 연마되게 된다.
이때, 연마 패드 표면의 수많은 발포 미공(직경 30∼70㎛)들이 새로운 연마액(Slurry)을 담아두는 역할을 하여 일정한 연마효율(MRR : Material RemovalRate)과 웨이퍼 면내의 연마 균일성(WIWNU : Within Wafer Non Uniformity)을 얻을 수 있게 된다.
도 2는 통상적인 연마패드의 평면 구조를 나타낸다. 연마패드(12)는 전체적으로 원반형태이고, 회전헤드가 접촉되는 부위에 투명창(12a)이 형성되고, 동심원상으로 홈(12b)이 형성되어 있다. 이 투명창(12a)을 통하여 엔드포인트 검출을 위한 레이저 광이 웨이퍼 표면에 도달되어 반사되고, 반사광이 다시 투명창을 통하여 광센서에 다시 수광되도록 한다. 표면의 동심원상으로 배열된 홈(12b)들은 슬러리의 원할한 공급 통로 및 담아놓는 공간으로 제공된다. 따라서, 홈과 미공들의 형상과 분포는 웨이퍼 표면에 연마 슬러리의 균일한 접촉을 위하여 매우 중요하고 연마특성에 영향을 줄 수 있다.
CMP용 연마패드(12)는 크게 두 가지로 나뉘어지는데 부직포계열과 발포 폴리우레탄계열이 있다. 먼저 부직포 계열은 부직포를 폴리우레탄으로 함침시킨 것이고, 발포 폴리우레탄 계열은 폴리우레탄을 발포 시켜 부직포계열 패드 위에 적층한 형태이다.
양자 모두 CMP를 위하여 전용 제작된 것으로 표면은 무수히 많은 미공들로 덮혀 있다. 이러한 미공들은 연마액을 일시적으로 담아두어 패드 표면으로 공급하는 역할을 하게 되는 데, 연마가 진행됨에 따라 이 미공들이 마모되거나 연마 잔류물들로 가득차게 되어 새로운 연마액의 공급이 불가능하게 되며 이로 인해 균일한 연마가 방해받게 된다.
일반적으로 연마패드는 경질 폴리우레탄(afoamed crosslinked polymer)이나폴리 우레탄이 함침 혹은 코팅된 부직 폴리에스테르 펠트(non-woven polyester felt)가 주류를 이루고 있으며 크게 2가지 기능을 수행한다.
패드 표면의 기공(open pores)은 슬러리의 유동을 원할하게 하며, 발포융기(foam cell walls)는 웨이퍼의 표면으로부터 반응물을 제거하는 기능을 각각 갖는다.
이와 같이 연마패드는 CMP의 화학 및 기계적 측면을 지원하게 된다. 일반적으로 CMP 가공 중에 패드는 디바이스의 패턴의 대소 조밀에 의해 응집 집중에 차이가 발생하여 탄성변형을 한다. 그리고, 응집집중이 큰 부위일수록 연마제거속도는 상대적으로 크게 나타난다.
연마패드의 경도는 연마제거속도의 균일성(uniformity)에 크게 영향을 주며, 일반적으로 경질패드는 칩 내부에 대해서는 국소 평탄화 특성은 좋으나 표면결함 등을 발생시키는 단점이 있다.
연질패드는 웨이퍼의 표면품위특성은 좋으나 패턴의 대소조밀에 따른 연마 제거 속도의 편차를 발생시키는 단점이 있다.
종래의 CMP용 패드는 주로 유리나 단결정 실리콘 웨이퍼 연마공정으로 도입되었으나, 최근에는 CMP에 적합하게 사용되기 위하여 개선되고 있다.
예를들면 IC-60과 같은 기능을 가지면서 스크래치를 생성시키지 않는 IC-1000이라는 패드를 개발하여 CMP에 적용하기 시작하였다.
패드의 성능은 기본적으로 경도, 표면상태 및 압축 변형량에 의해 결정된다.
우선 절연막 CMP용 패드의 요구조건으로 슬러리에 의해 화학적으로 에칭된절연막 반응 생성물을 제거하기 위해 단단하고 거친 표면을 가질 필요성이 있다.
금속 CMP용 패드의 조건은 연마될 금속에 크게 좌우된다. 이를 요약하면 다음과 같다. 알루미늄의 경우 그 자체가 연질이며 더럽혀지고 손상되기 쉬우므로 연질패드가 바람직하다. 연질패드를 적용하면 연마제거속도 3,000Å/min, 산화물에 대한 선택비 40:1를 얻을 수 있다. 경질금속인 텅스텐의 경우 경질의 패드를 선정하는 것이 유리하다. 연마제거속도 2,000Å/min, 산화물에 대한 선택비 20:1을 얻을 수 있다. 구리에 대해서는 중간정도 경도를 갖는 패드가 적절하다. 연마제거속도 4,000Å/min, 산화물에 대한 선택비 100:1을 얻을 수 있다.
일반적으로 패드의 밀도가 낮을수록 압축 변형량이 클수록 연마제거속도는 향상된다.
CMP에는 연마패드의 압축 변형량이 평탄도 및 잔류박막의 균일성에 직접 영향을 미치므로 IC계의 독립 발포제 연마패드를 주로 사용한다.
단차가 존재하는 웨이퍼 표면을 평탄화하기 위해서는 압축 변형량이 적고 단단한 IC-1000이 바람직하다.
IC-1400은 웨이퍼 면내의 균일성 향상과 패드의 수명을 연장시킬 목적으로 개발된 패드이다. 제 1 세대와 동일한 2층 구조이고 표면층은 IC-1000을 사용하며 완충재가 되는 하부층에 독립 발포제를 채용하고 침수성, 압축특성의 경시변화를 개선하며 균일성의 향상을 도모, 표면에는 동심원상의 홈가공을 하였다.
Q-2000은 로컬 플래너리티를 보다 향상시키기 위하여 컨디셔닝의 연마특성에 대한 의존성을 저감시킬 목적으로 개발된 패드로 2층 구조를 가진다. 표면층은 고경도의 피발포형태인 폴리머시트로 제작되고 슬러리의 유동성을 확보하기 위하여 홈가공이 실시된다.
상술한 바와 같이, 연마패드는 가공목적에 따라 다양한 종류가 제공되고 있고, CMP 공정에서 차지하는 비중이 매우 크며, 고집적화가 진행될수록 연마패드의 엄격한 관리가 요구되고 있는 실정이다.
그러나, 지금까지는 연마패드 제조업자가 제시한 일반적인 제품 사양에 의존하여 관리되어 왔고, 교체시기도 특별한 관리없이 제품 사양에 의존하여 주기적으로 교체하여 왔다. 이와 같은 일반적인 연마패드의 관리는 아직 충분히 쓸수 있는 것임에도 불구하고 불량발생을 우려하여 패드교체시기를 앞당기게 되므로 다량의 패드가 소모되므로 반도체 소자의 생산원가를 상승시키는 원인이 된다.
또한, 각 패드마다 특성이 완전히 동일하지 않지만 일률적으로 제조회사의 사양에 맞추어 모두 동일하다는 전제 하에 패드특성이 관리되므로, 실제 각 패드의 특성 편차에 따른 웨이퍼 가공 불량이 발생되기도 한다.
따라서, 본 발명자는 CMP 장치에 연마패드를 부착시키기 전에 연마패드별 각종 특성, 예컨대, 표면 프로파일, 표면상태, 경도, 투명창의 투과율 등을 측정하여 이를 데이터 베이스로 작성하여 개별적 특성을 관리할 수 있는 패드 측정장비를 개발하였다.
도 3은 본 발명에 의한 측정장치의 구성을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 측정장치는 크게 측정 테이블(100)과 측정제어부(200)로 구성된다.
측정제어부(200)는 전체적으로 캐비넷 형상으로 구성되고, 상단에는 모니터(202)가 설치되고, 중간에는 키보드 받침용 서랍(204)과, 마우스 받침용 서랍(206)이 설치된다. 서랍(204)에는 키보드(208)가 재치되고, 서랍(206)에는 마우스(210)가 재치된다. 중하단 중앙부에는 데이터 기록용 디스크, 예컨대 플로피 디스크, 광디스크 등의 디스크 드라이버(212)가 설치된다. 캐비넷 내부에는 컴퓨터 본체 및 인터페이스용 회로기판과 전원장치들이 설치된다.
측정 테이블(100)의 상판에는 XY 이송수단(110)이 설치되고, 전면 상단우측에는 투과율 측정센서(120)가 설치된다.
도 4를 참조하면, 테이블(100)의 상판(102)은 정밀 가공에 의해 고정도의 평탄도를 가진다. 측정 테이블(100)의 상면 중앙부에는 연마패드(12)가 위치할 부위가 표시되어 있고, 연마패드가 위치할 부위에는 복수의 흡착공(104)이 형성되어 있다. 측정 테이블(100)의 상판 저면에는 상기 복수의 흡착공(104)과 연동되어 연마패드를 진공흡착하기 위한 진공배기수단(130)이 설치된다.
XY 이송수단(110)은 Y축 이송기(111), Y축 슬라이더(112), Y축 가이드 레일(114), Y축 가이드 슬라이더(115), X축 이송기(116), X축 슬라이더(117)를 포함한다. Y축 이송기(111)는 상판(102)의 좌측에 Y 방향으로 설치되고, Y축 가이드 레일(114)은 상판(102)의 우측에 Y축 이송기와 나란하게 설치된다. Y축 이송기(111)는 Y축 슬라이더(112)를 Y축 방향으로 이송한다. Y축 가이드 슬라이더(115)는 Y축 가이드 레일을 타고 Y축 방향으로 이동 가능하게 설치된다.
X축 이송기(116)는 Y축 슬라이더(112) 상에 일단이 고정되고, Y축 가이드 슬라이더(115) 상에 타단이 고정되어 가로방향으로 설치된다. X축 이송기(116)는 X축 슬라이더(117)를 X축 방향으로 이송한다.
따라서, X축 이송기(116)는 Y축 방향으로 Y축 이송기(112)에 의해 이송되고, X축 슬라이더(117)는 X축 이송기(116)에 의해 X축 방향으로 이송되므로, X축 슬라이더(117)는 XY평면상을 스캔할 수 있게 된다.
X축 및 Y축 이송기(116, 111)는 스텝모터(116a, 111a)에 의해 각각 회전되는 스크류(이송나사)로 구성할 수 있다. X축 및 Y축 슬라이더(117, 112)는 스크류에 나사결합되어 X축 또는 Y축 방향으로 이송되게 된다.
X축 및 Y축 이송기는 선형모터의 고정자로 구성하고, X축 및 Y축은 이동자로 구성할 수도 있다.
도 5를 참조하면, X축 슬라이더(117)에는 센서고정수단(118)이 설치되고, 센서고정수단(118)에는 카메라(140), 레이저 센서(150), 경도측정센서(160)가 각각 부착되어 고정된다.
도 6을 참조하면, 투과율 측정센서(120)는 일단이 테이블 우측 상단에 부착된 파지암(121)의 타단에 설치된 수광센서(122)와, 상기 파지암(121)의 상방에 소정 간격을 두고 나란하게 설치된 파지암(123)의 종단에 설치된 발광센서(124)를 포함한다. 상기 파지암(121, 123)의 길이는 연마패드(12)의 에지로부터 투광창(12a)의 중심부까지를 충분히 포함할 정도의 길이를 갖는다. 대체적으로 수광센서와 발광센서의 사이에 테이블(100)의 상판의 연장면이 위치하도록 수광센서와 발광센서의 설치 높이가 설정된다.
따라서, 투광창의 투과율 측정시에는 연마패드(12)의 투명창(12a)이 발광센서(124)와 수광센서(122)의 사이의 광로 상에 위치하도록 놓여지게 된다.
카메라(140)는 고해상도 및 고배율의 CCD 카메라로 구성되어 연마패드의 표면을 육안으로 관찰하기 위한 것이다. 연마패드(12)의 홈이나 미공 등에 이물질이 삽입되어 있는지 등을 관찰할 수 있다.
레이저 센서(150)는 상용화된 일반 레이저 간섭광 측정센서로 구성된다. 레이저 센서는 레이저를 연마패드의 표면에 조사하고 표면에서 반사되는 간섭광을 검출하여 연마패드의 표면 프로파일을 측정한다.
경도측정센서(160)는 상용화된 일반 경도측정센서로 구성되어 연마패드의 경도를 측정하기 위한 것이다.
도 7은 본 발명에 의한 시스템 구성도를 나타낸다.
측정제어부(200)는 개인용 컴퓨터로 구성하고, 각 센서 및 카메라들은 인터페이스 보드를 통하여 개인용 컴퓨터와 연결하여 구성할 수 있다. 각 센서 및 카메라들은 RS232 시리얼 버스나 USB 버스로 연결될 수 있다.
측정제어부(200)는 마이크로 컴퓨터(218), DRAM, SRAM, EEPROM 등을 포함하는 메모리(216), 키보드(208), 마우스(210), 하드디스크 드라이버(216), 플로피 디스크 드라이버(212), CD-ROM 드라이버(214), 모니터(202)를 포함한다. 마이크로 컴퓨터(218)는 시스템 버스를 통하여 경도센서 인터페이스부(220), 레이저 센서 인터페이스부(222), 카메라 인터페이스부(224), 모터구동부(226), 투명센서 인터페이스부(228)와 연결된다.
도 8에 도시한 바와 같이, 연마패드(12)의 프로파일, 표면상태 및 경도를 측정하기 위해서 연마패드는 테이블(100)의 상판 중앙 위치(도면 A 위치)하여 진공흡착된다. 투명창(12a)의 투명도를 측정하기 위해서는 투과율 측정센서(120)에 패드의 투명창(12a)이 얼라인되도록 연마패드를 위치한다(도면 B 위치).
이와 같이 구성된 본 발명의 측정장치의 동작은 다음과 같다.
도 8를 참조하면, 측정제어부(200)는 시스템 초기화한다(S1). 시스템 초기화시에는 도 11에 도시한 초기화 화면에서 먼저 모터를 초기화하고 그 다음에 각종 센서들을 초기화한다. 도 11에서 모터 초기화 동작시에는 X축 현재위치, Y축 현재위치를 표시하고, X축 모터호밍(HOMING), Y축 모터호밍, 모터초기화, 모터 수동 이동 등의 동작을 수행한다. 센서 초기화 동작시에는 현재 센서의 초기값을 표시하고, 센서 초기화 동작을 수행한다.
또한, 각 측정시 기준값 등의 환경설정을 수행한다. 도 12의 환경설정화면에서는 패드 데이터 기준값, 경도 기준값, 투과율 기준값을 표시하고, 입력된 각 기준값의 기준값 설정 등의 동작을 수행한다.
이와 같이 시스템 초기화작업이 완료되면, 도 13의 프로젝트 시작하기 화면이 모니터 상에 표시된다(S2). 시작하기 화면 상에는 CCD 카메라로 픽업한 이미지 표시창, 패드 데이터 정보 표시창, 패드 프로파일 그래프 표시창을 포함한다.
이미지 표시창에는 이미지 표시영역과, CCD 카메라 선택버튼, 이전 이미지 보기버튼, 삭제버튼, 다음 이미지보기버튼 등을 포함한다.
패드 데이터 정보 표시창에는 해당 패드의 시리얼 번호/ 패드 데이터/ 경도측정 기준값/ 경도측정값/ 경도측정 오차값/ 투과율측정 기준값/투과율 측정값/ 투과율측정오차값 등의 표시란을 포함한다. 또한, 시리얼넘버 입력버튼, 패드일기버튼, 경도측정버튼, 투과율 측정버튼, 투과율기준값 버튼, 경도기준값 버튼, 저장하기 버튼, 미리보기 버튼, 프린트 버튼 등의 선택버튼을 포함한다.
상술한 시작화면 상에서 각 측정모드를 선택한다(S3~S6).
먼저, 연마패드의 투명창(12a)을 투과율 측정센서(120)에 얼라인 시킨 다음에 시작화면에서 투과율 측정버튼을 선택하면, 투과율 측정센서(120)를 통하여 투명창의 투과율을 측정한다(S7). 측정된 투과율 측정신호는 인터페이스부(228)를 통하여 측정제어부(200)에 전달된다. 전달된 투과율 측정신호는 마이크로 컴퓨터(218)에서 측정값으로 변환되고 기 설정된 투과율 기준값과 연산처리되어 오차값을 산출하고 산출된 오차값 및 측정값이 화면상에 표시된다.
이어서, 연마패드를 테이블 중앙에 위치시킨 다음에 진공 흡착시켜서 고정시킨다. 이와 같이 연마패드를 고정시킨 다음에 XY이송수단을 통하여 카메라 및 센서들을 XY 평면 상에서 이송하면서 연마패드의 표면 프로파일, 화면 상태, 경도 등을 측정한다(S8~S10).
도 9를 참조하면, 마이크로 컴퓨터(218)는 중앙에 위치한 연마패드의 센터를 확인하기 위하여 X축 및 Y축 모터를 호밍한다. 센터 검출은 X축 모터를 구동하여 X축 이송기를 통하여 X축 슬라이더를 X축 센터로 이동시킨다(S12).
S11단계에서 이동이 완료되었으면(S13), Y 모터를 구동하여 Y축 이송기를 통해 X축 이송기를 패드의 Y축 시작점으로 이송한다(S14). Y축 시작점을체크하고(S15), Y축 시작점이 체크되면 Y축 방향으로 정밀 이동을 수행한다(S16).
S16단계의 정밀 이동에 의해 Y축 시작점을 검출한다(S17).
도 10을 참조하면, 도 9의 S17단계에서 Y축 시작점이 검출되었으면, Y 모터를 구동하여 Y축 이송기를 통해 X축 이송기를 패드의 Y축 종료점으로 이송한다(S18). Y축 종료점을 체크하고(S19), Y축 종료점이 체크되면 Y축 종료점 방향으로 정밀 이동을 수행한다(S20).
S20단계의 정밀 이동에 의해 Y축 종료점을 검출한다(S21).
S21단계에서 Y축 종료점이 검출되면, 검출된 Y축 시작점과 종료점 데이터를 근거로 Y축 센터값을 산출하고, 산출된 Y축 센터로 X 이송기를 이송한다(S22).
Y축 센터로 이송이 완료되면(S23) 패드의 센터찾기를 종료한다.
이와 같이, 센터찾기가 종료되면, 시작화면에서 경도측정버튼을 선택하면
경도측정센서(160)를 통하여 패드의 경도를 측정한다(S8). 측정된 경도측정신호는 인터페이스부(220)를 통하여 측정제어부(200)에 전달된다. 전달된 경도측정신호는 마이크로 컴퓨터(218)에서 측정값으로 변환되고 기 설정된 경도기준값과 연산처리되어 오차값을 산출하고 산출된 오차값 및 측정값이 화면상에 표시된다.
시작화면에서 패드읽기를 선택하면, 레이저센서(150)에 의한 표면 프로파일의 측정이 수행된다. 레이저센서(150)는 패드의 센터로부터 패드 에지로 정밀 이동되면서 패드 표면의 프로파일 신호를 측정하여 마이크로 컴퓨터에 전송한다. 마이크로 컴퓨터에서는 전송된 프로파일신호를 변환하여 화면상에 도 15에 도시한 바와 같이, 그래프로 표시한다. 도 15에서 규칙적으로 배열된 저점들은 패드 표면에 형성된 홈에 대응한다.
시작화면에서 CCD 카메라 버튼을 선택하면 현재 위치에서 패드의 표면 이미지가 화면 상에 표시된다. 그러므로, 운영자가 수동으로 XY평면을 스캔하면서 패드의 표면을 확대된 화면 이미지로 관찰이 가능하고, 중요한 화면 이미지는 캡쳐하여 이미지 데이터로 저장할 수 있다.
이와 같이 측정된 데이터와 화면 이미지는 각 연마패드의 시리얼번호에 의해 데이터 파일화되어 하드 디스크 드라이버에 저장되어 데이터 베이스로 사용될 수 있다. 도 14에 도시한 바와 같이, 기 측정된 연마패드의 파일은 측정날짜별, 시리얼 넘버별로 검색이 가능하다.
비록 본 발명의 구성요소들이 특정한 실시예와 관련되어 기술되었지만 본 발명은 수많은 다른 방법으로도 구현될 수 있다. 결론적으로, 설명하는 과정에서 묘사된 특정한 실시예는 절대로 한정적으로 해석되기를 의도한 것이 아니라는 것이다. 본 실시예의 구체적인 부분에 대한 참조는 본 발명의 필수 구성요소라고 간주되는 특징만을 기술하고 있는 청구범위의 보호영역을 한정하려는 의도가 아니다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 CMP 연마패드의 프로파일, 경도, 투명창의 투과율, 화면 상태 등을 측정할 수 있으므로, 연마패드 각각에 대한 특성을 정확하게 알 수 있으므로, CMP 장비 부착시에 측정된 데이터를 바탕으로 장비의 공정 기준값을 설정할 수 있다. 그러므로, 보다 엄밀하게 CMP 공정을 수행할 수 있어서 CMP 연마에 의한 불량 발생을 최소화 시킬 수 있다.
연마패드의 표면을 이미지로 관찰함으로써 이물질이 삽입되었는지를 검출할 수 있어서, 이물질로 인한 웨이퍼 상의 마이크로 스크레치 발생을 억제할 수 있고, 패드의 경도를 측정함으로써 경도 불균일로 인한 공정불량을 방지할 수 있다.
연마패드의 2차원적 검사가 가능하므로 홈의 간격과 깊이 등의 식별이 가능하여 홈의 간격과 깊이의 불균일로 인한 슬러리의 불균일한 공급을 방지하여 공정변화를 최소화할 수 있다.
패드의 투명창의 투과율을 측정함으로써 투명창의 투과율 변동에 의한 과연마나 언더 연마 등을 방지할 수 있다.
또한, 교체된 연마패드의 마모상태를 본 발명 측정장비로 측정함으로써, CMP 장비 특성평가가 가능하고, 동일 공정 조건에서 다음 연마패드의 교체시기를 산출할 수 있게 되므로, 보다 정확한 교체시점을 결정할 수 있다. 따라서, 연마패드를 최적 조건으로 사용할 수 있으므로 원가절감에 기여할 수 있다.

Claims (13)

  1. 연마 패드를 올려놓기 위한 상면이 평탄한 테이블;
    상기 연마 패드의 표면을 촬영하기 위한 카메라;
    상기 연마 패드의 표면 프로파일을 측정하기 위한 센서;
    상기 카메라와 센서를 고정시키기 위한 센서고정수단;
    상기 센서고정수단을 상기 연마패드 상에서 XY방향으로 이송하기 위한 XY 이송수단; 및
    상기 XY 이송수단, 카메라 및 센서들과 전기적으로 연결되고, 상기 XY 이송수단을 제어하여 카메라 및 센서를 XY평면상에서 이송하면서 상기 연마 패드의 표면 프로파일을 측정하고, 표면 이미지를 픽업하고, 각 측정값 및 그래프와 픽업된 표면 이미지 등을 화면상에 표시하는 측정 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 연마 패드의 측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 테이블은
    상기 연마 패드가 위치하는 중앙 부위에 연마패드를 고정시키기 위한 복수의 진공 흡착공이 형성된 것을 특징으로 하는 연마패드의 측정장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 센서는 비접촉식 레이저 센서인 것을 특징으로 하는 연마 패드의 측정장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 장치는 상기 센서고정수단에 설치되고, 상기 연마패드의 경도를 측정하기 위한 경도측정센서를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연마 패드의 측정장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 장치는 상기 연마패드의 투명창의 투과율을 측정하기 위한 투과율 측정센서를 더 구비한 것을 특징으로 하는 연마 패드의 측정장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 투과율 측정센서는 상기 테이블의 전면 상단에 테이블의 상면과 동일 높이에 설치된 수광센서와 상기 수광센서와 상기 연마패드가 삽입될 간격을 유지하고 그 상방에 설치된 발광센서로 구성된 것을 특징으로 하는 연마 패드의 측정장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 XY 이송수단은
    상기 테이블의 상면 일측에 세로방향으로 설치된 Y축 이송기;
    상기 테이블의 상면 타측에 상기 Y축 이송기와 나란하게 설치된 가이드 레일;
    상기 Y축 이송기에 의해 Y축 방향으로 이송되는 Y축 슬라이더;
    상기 가이드 레일을 타고 y축 방향으로 이송가능한 가이드 슬라이더;
    상기 Y축 슬라이더와 가이드 슬라이드에 양단이 각각 설치되어 가로방향으로배치된 X축 이송기; 및
    상기 X축 이송기에 의해 X축 방향으로 이송되고, 상기 센서고정수단이 설치된 X축 슬라이더를 구비한 것을 특징으로 하는 연마 패드의 측정장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 X축 및 Y축 이송기는
    이송 스크류 또는 선형모터 중 어느 하나로 구성된 것을 특징으로 하는 연마 패드의 측정장치.
  9. 화학 및 기계적 연마장치의 연마 패드의 측정방법에 있어서,
    측정용 테이블 상에 연마 패드를 위치하는 단계;
    상기 연마 패드를 진공흡착하여 고정시키는 단계;
    상기 연마 패드 상에서 X 및 Y축 추적에 의해 상기 연마 패드의 센터를 검색하는 단계;
    상기 연마 패드의 센터에서 경도측정센서를 통하여 연마패드의 경도를 측정하고, 측정값을 화면상에 표시하는 단계;
    상기 연마 패드의 Y축 시작점으로부터 Y축 종료점까지 센서를 정밀이송하면서 패드의 프로파일을 측정하고, 측정된 프로파일을 그래프로 화면상에 표시하는 단계;
    상기 연마 패드 상에 카메라를 스캔하면서 상기 연마패드의 표면 이미지를 줌업하여 픽업하고 픽업된 표면 이미지를 화면 상에 표시하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 연마 패드의 측정방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 측정방법은
    상기 연마 패드의 투명창을 투과율 측정센서에 정렬하는 단계;
    상기 정렬된 연마 패드의 투명창의 투명도를 측정하고, 그 측정값을 화면상에 표시하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연마 패드의 측정방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 투과율 측정값을 화면에 표시하는 단계는
    측정값과 기준 투과율값의 오차를 산출하는 단계; 및
    상기 기준 투과율값, 측정값 및 오차를 화면상에 표시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 패드의 측정방법.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 경도 측정값을 화면에 표시하는 단계는
    측정값과 기준 경도값의 오차를 산출하는 단계; 및
    상기 기준 경도값, 측정값, 오차를 화면상에 표시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 패드의 측정방법.
  13. 연마 패드를 올려놓기 위한 상면이 평탄한 테이블;
    상기 테이블 상에 재치된 연마 패드의 표면상태, 프로파일, 경도, 및 투명창의 투과율 등을 측정하기 위하여 상기 테이블 상에 XY평면상에서 이송이 가능하도록 설치된 센서들;
    CMP 장비에 장착전의 연마패드 또는 사용 후의 연마패드들에 대해 상기 센서들을 연마패드 상에서 이송하면서 센서들을 통하여 연마패드의 표면상태, 프로파일, 경도, 투명창의 투과율 등을 측정값을 입력하여 화면 상에 기준값, 측정값 및 오차값 등을 표시하고, 측정된 연마패드들을 측정 데이터값들을 시리얼 번호순으로 데이터 베이스화하여 관리하기 위한 측정 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 연마 패드의 측정장치.
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